MAKALAH ENERGITEKNOLOGI FUEL CELL SEBAGAI

ALTERNATIF PENGGUNAAN BAHAN BAKAR

Oleh :Kelompok 9

Maratus Sholihah (115061100111019)Hairunisa Agnowara (125061100111033)

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS BRAWIJAYAMALANG 2013

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Penggunaan energi fosil akhir-akhir ini khususnya di Negara berkembang

mengalami kenaikan yang sangat signifikan. Contohnya di negara Indonesia,

kebutuhan akan Bahan Bakar Minyak (BBM) semakin lama semakin meningkat.

Seiring bertambahnya jumlah kendaraan bermotor di suatu negara, semakin besar juga

ketergantungan negara tersebut terhadap bahan bakar fosil.

Buktinya adalah penggunaan bahan bakar/ energi di Indonesia cenderung

meningkat. Pada tahun 2010, konsumsi energi per kapita masyarakat Indonesia

sangat tinggi. Ini menunjukkan bahwa masyarakat masih dapat dibilang ‘kurang

1

menghemat energi’. Nilai yang tinggi ini didominasi oleh kendaraan yang banyak.(

Handbook of Energy & Economics Statistics of Indonesia, 2011)

Kendaraan yang menjadi pengguna bahan bakar minyak sangat bervariasi

jenisnya. Mulai dari kendaraan tua, sampai yang baru saja di produksi sama-sama

menggunakan bahan bakar minyak. Seperti yang kita tahu, kualitas emisi kendaraan

bermotor yang menggunakan bahan bakar minyak bervariasi menurut jenis, pabrik,

dan tahun pembuatannya. Semakin baru kendaraan tersebut, semakin irit dan baik

kualitas emisinya. Kualitas emisi ini merupakan sorotan utama yang sangat

berpengaruh dalam perubahan lingkungan di sekitarnya.

Bank Dunia merilis penilaian tentang masa depan bumi jika tidak ada

tindakan untuk mengurangi laju emisi karbon. Rata-rata suhu permukaan bumi

diperkirakan naik sebesar 3 derajat Celsius atau lebih. Kondisi ini akan

menyebabkan berbagai dampak yang ekstrem, seperti gelombang panas, kekeringan

parah, dan banjir besar di berbagai daerah.(Tempo, 2012)

Maka dari itu dibutuhkan suatu teknologi yang ramah lingkungan dan mampu

menghasilkan energi yang cukup besar untuk digunakan sehari-hari. Salah satu

teknologi tersebut adalah fuel cell. Dalam makalah ini akan dijelaskan tentang proses

pengolahan hydrogen dalam fuel cell hingga menjadi air murni sebagai hasil

sampingnya. Dengan pembuatan makalah ini diharapkan dapat memberikan ilmu yang

bermanfaat mengenai teknologi fuel cell.

1.2 Tujuan

- Untuk mengetahui proses yang terjadi fuel cell (perubahan hydrogen menjadi air

murni).

- Untuk mengetahui aplikasi penggunaan fuel cell.

2

1.3 Manfaat

- Mampu memahami proses yang terjadi dalam fuel cell (perubahan hydrogen menjadi

air murni).

- Mampu memahami aplikasi penggunaan fuel cell.

3

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Fuel Cell

Fuel cell adalah suatu perangkat pembangkit listrik mandiri, yang dapat

menghasilkan listrik untuk perumahan, komersial, industri dan transportasi. Sebuah fuel

cell dapat mengkonversikan hydrogen secara langsung menjadi listrik yang dapat

digunakan sebagai sumber listrik sebagai contoh pada mobil listrik atau rumah.

Dalam fuel cell, penggunaan hidrogen, sebagai sumber bahan bakar,

menghasilkan lebih sedikit gas rumah kaca dibandingkan dengan menggunakan bahan

bakar fosil. Fuel cell mengkonversikan energi secara efisien, yang mana membantu

konservasi sumber energi. Dan produk samping yang dihasilkan dari proses

elektrokimia yang berlangsung adalah air murni yang merupakan suatu keuntungan

yang jelas bagi alam.

Layaknya sebuah baterai, segala jenis fuel cell memiliki elektroda positif dan

negatif atau disebut juga katoda dan anoda. Reaksi kimia yang menghasilkan listrik

terjadi pada elektroda. Selain elektroda, satu unit fuel cell terdapat elektrolit yang akan

membawa muatan-muatan listrik dari satu elektroda ke elektroda lain, serta katalis yang

akan mempercepat reaksi di elektroda. Umumnya yang membedakan jenis-jenis fuel

cell adalah material elektrolit yang digunakan. Arus listrik serta panas yang dihasilkan

setiap jenis fuel cell merupakan produk samping reaksi kimia yang terjadi di katoda dan

anoda.

Karena energi yang diproduksi fuel cell merupakan reaksi kimia pembentukan

air, alat konversi energi elektrokimia ini tidak akan menghasilkan efek samping yang

berbahaya bagi lingkungan seperti alat konversi energi konvensional (misalnya proses

pembakaran pada mesin mobil). Sedangkan dari segi efisiensi energi, penerapan fuel

4

cell pada baterai portable seperti pada handphone atau laptop akan sepuluh kali tahan

lebih lama dibandingkan dengan baterai litium. Dan untuk mengisi kembali energi akan

lebih cepat karena energi yang digunakan bukan listrik, tetapi bahan bakar berbentuk

cair atau gas.

Ada banyak keuntungan dari penggunaan teknologi fuel cell untuk kendaraan

bermotor, antara lain ramah lingkungan, bersih, lebih aman, dan resiko yang relatif

kecil. FCVs sangat kecil melepaskan COxdan NOx ke lingkugan dan mempunyai resiko

kebakaran yang cukup kecil dibandingkan dengan mobil mesin bakar internal ICE

(internal combustion engine). Satu hal yang cukup mengesankan adalah unjuk kerja

FCVs sangat baik saat berjalan dan berhenti. Hal ini tidak dimiliki oleh mobil dengan

sistem mesin konvensional ICE. Dari hasil penelitian yang dilakukan oleh Argonne

National Laboratory diperkirakan bahwa mobil fuel cell mempunyai efisiensi energi 2,1

– 2,6 kali lebih besar dari mobil ICE sedangkan data menurut The Pembina Institute

diperkirakan 1,76 kali lebih besar dari sistem ICE.

2.2 Hidrogen

Hidrogen adalah unsur yang paling melimpah di alam semesta ini dengan

persentase 75% dari barion berdasarkan massa dan lebih dari 90% berdasarkan jumlah

atom. Unsur ini ditemukan dalam kelimpahan yang besar di bintang-bintang dan planet-

planet gas raksasa. Awan molekul dari H2 diasosiasikan dengan pembentukan bintang.

Hidrogen memainkan peran penting dalam pemberian energi bintang melalui reaksi

proton-proton dan fusi nuklir daur CNO.

Di seluruh alam semesta ini, hidrogen kebanyakan ditemukan dalam keadaan

atomic dan plasma yang sifatnya berbeda dengan molekul hidrogen. Sebagai plasma,

elektron hidrogen dan proton terikat bersama, dan menghasilkan konduktivitas elektrik

yang sangat tinggi dan daya pancar yang tinggi (menghasilkan cahaya dari matahari dan

bintang lain). Partikel yang bermuatan dipengaruhi oleh medan magnet dan medan

listrik. Sebagai contoh, dalam angin surya, partikel-partikel ini berinteraksi dengan

5

magnetosfer bumi dan mengakibatkan arus Birkeland dan fenomena Aurora. Hidrogen

ditemukan dalam keadaan atom netral di medium antarbintang. Sejumlah besar atom

hidrogen netral yang ditemukan di sistem Lyman alpha teredam diperkirakan

mendominasi rapatan barionik alam semesta sampai dengan pergeseran merah z=4.

Dalam keadaan normal di bumi, unsur hidrogen berada dalam keadaan gas

diatomik, H2. Namun, gas hidrogen sangatlah langka di atmosfer bumi (1 ppm

berdasarkan volume) oleh karena beratnya yang ringan yang menyebabkan gas

hidrogen lepas dari gravitasi bumi. Walaupun demikian, hidrogen masih merupakan

unsur paling melimpah di permukaan bumi ini. Kebanyakan hidrogen bumi berada

dalam keadaan bersenyawa dengan unsur lain seperti hidrokarbon dan air. Gas hidrogen

dihasilkan oleh beberapa jenis bakteri dan ganggang.

2.3 Proses kerja

6

Cara kerja suatu unit fuel cell dapat diilustrasikan dengan jenis PEMFC (proton

exchange membrane fuel cell). Jenis ini adalah jenis fuel cell yang menggunakan reaksi

kimia paling sederhana. PEMFC memiliki empat elemen dasar seperti kebanyakan jenis

fuel cell.

Pertama, anoda sebagai kutub negatif fuel cell. Anoda merupakan elektroda

yang akan mengalirkan elektron yang lepas dari molekul hidrogen sehingga elektron

tersebut dapat digunakan di luar sirkuit. Pada materialnya terdapat saluran-saluran agar

gas hidrogen dapat menyebar ke seluruh permukaan katalis.

Kedua, katoda sebagai kutub elektroda positif fuel cell yang juga memiliki

saluran yang akan menyebarkan oksigen ke seluruh permukaan katalis. Katoda juga

berperan dalam mengalirkan elektron dari luar sirkuit ke dalam sirkuit sehingga

elektron-elektron tersebut dapat bergabung dengan ion hidrogen dan oksigen untuk

membentuk air.

Ketiga, elektrolit. Yang digunakan dalam PEMFC adalah membran pertukaran

proton (proton exchange membrane/PEM). Material ini berbentuk seperti plastik

7

pembungkus yang hanya dapat mengalirkan ion bermuatan positif. Sedangkan elektron

yang bermuatan negaif tidak akan melalui membran ini. Dengan kata lain, membran ini

akan menahan elektron.

Keempat, katalis yang digunakan untuk memfasilitasi reaksi oksigen dan

hidrogen. Katalis umumnya terbuat dari lembaran kertas karbon yang diberi selapis tipis

bubuk platina. Permukaan katalis selalu berpori dan kasar sehingga seluruh area

permukaan platina dapat dicapai hidrogen dan oksigen. Lapisan platina katalis

berbatasan langsung dengan membran penukar ion positif, PEM.

Pada ilustrasi cara kerja PEMFC, diperlihatkan gas hidrogen yang memiliki

tekanan tertentu memasuki fuel cell di kutub anoda. Gas hidrogen ini akan bereaksi

dengan katalis dengan dorongan dari tekanan. Ketika molekul H 2kontak dengan

platinum pada katalis, molekul akan terpisah menjadi dua ion H+¿¿dan dua elektron (

e−¿¿). Elektron akan mengalir melalui anoda, elektron-elektron ini akan membuat jalur

di luar sirkuit fuel cell dan melakukan kerja listrik, kemudian mengalir kembali ke

kutub katoda pada fuel cell.

Di sisi lain, pada kutub katoda fuel cell, gas oksigen (O2) didorong gaya tekan

kemudian bereaksi dengan katalis membentuk dua atom oksigen. Setiap atom oksigen

ini memiliki muatan negatif yang sangat besar. Muatan negatif ini akan menarik dua ion

H+¿¿ keluar dari membran PEM, lalu ion-ion ini bergabung dengan satu atom oksigen

dan elektron-elektron dari luar sirkuit untuk membentuk molekul air (H2O).

Pada satu unit fuel cell terjadi reaksi kimia yang terjadi di anoda dan katoda.

Reaksi yang terjadi pada anoda adalah 2 H 2→ 4 H+4e−¿ .¿Sementara reaksi yang terjadi

pada katoda adalah2+4 H+¿+4 e−¿→ 2H 2O ¿ ¿. Sehingga keseluruhan reaksi pada fuel cell adalah

2 H 2+O2→ 2H 2 O. Hasil samping reaksi kimia ini adalah aliran elektron yang

menghasilkan arus listrik serta energi panas dari reaksi.

Satu unit fuel cell ini menghasilkan energi kurang lebih 0,7 volt. Karena itu

untuk memenuhi energi satu baterai handphone atau menggerakkan turbin gas dan

8

mesin mobil, dibutuhkan berlapis-lapis unit fuel cell dikumpulkan menjadi satu unit

besar yang disebut sebagai fuel cell stack.

2.5 Macam Fuel Cell berdasarkan elektrolitnya

Fuel cell dibedakan berdasarkan zat elektrolit yan digunakannya. Berikut adalah

beberapa jenis elektrolit yang digunakan.

1. AFC (Alkaline Fuel Cell)

Menggunakan KOH sebagai elektrolit.

2. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

Bekerja pada range suhu 50 - 100 °C. menggunakan membrane polimer

elektrolit.

3. PEFC (Polimer Electrolyte Fuel Cell)

Bekerja pada suhu dibawah 100 C, membran polimer sebagai elektrolitnya.

Karena menggunakan lapisan tipis membran polimer, ukuran secara kesulurahan

sangatlah kecil.

4. PAFC (Posporic Acid Fuel Cell)

Bekerja pada suhu 200 C, dan asam fosfat (H3PO4) sebagai elektrolitnya.

5. MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)

Bekerja pada suhu 650 C, dan elektrolit yang digunakan adalah garam

karbonat(Li2CO3, K2CO3, dll) dalam bentuk larutan.

6. SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)

Bekerja pada suhu 1000C, dengan keramik padat (misal, ZrO2 ) sebagai

elektrolitnya.

9

2.4 Aplikasi penggunaan fuel cell

Saat ini, penerapan fuel cell sebagai sumber energi sudah banyak digunakan di

seluruh belahan dunia, antara lain pada mesin mobil, bus, baterai portable untuk

handphone, laptop, PDA, pembangkit energi listrik, atau generator-generator pada

gedung-gedung, rumah sakit, bandara, dan rumah tangga.

Di Amerika Serikat sudah digunakan sebagai bahan bakar kapal selam militer

laut (Navy USA). Di Jepang digunakan oleh salah satu perusahaan otomotif ternama

sebagai teknologi pada mobil hybrid terbarunya. Sementara di Indonesia,

pengembangan fuel cell baru memasuki tahap pengembangan pembangkit listrik skala

kecil atau sekira 2 kW.

10

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Dalam fuel cell terdapat proses elektrokimia yang merubah hidrogen menjadi air.

Proses yang terjadi adalah hidrogen masuk ke dalam fuel cell lalu berdifusi, menghilangkan

elektron dengan katalis dan melewati mebran agar dapat bereaksi dengan oksigen yang

berasal di alam, sehingga akan membentuk air murni (H 2 O).

Aplikasi fuel cell sebagai sumber energi dapat digunakan pada mesin mobil, bus,

baterai portable untuk handphone, laptop, PDA, pembangkit energi listrik, atau generator-

generator pada gedung-gedung, rumah sakit, bandara, dan rumah tangga.

11

BAB IV

DAFTAR PUSTAKA

Batan. 2012. Prospek Metanol untuk Bahan Bakar. Diakses dari

http://www.batan.go.id/mediakita/current/mediakita.php?group=Artikel

%20Lepas&artikel=tk1&hlm=1 pada tanggal 19 Mei 2013

Chevron. 2013. Fuel Cells. Diakses dari

http://www.chevron.com/deliveringenergy/fuelcells/ pada tanggal 19 Mei 2013

ESDM. 2011. Handbook of Energy & Economics Statistics of Indonesia. Diakses dari

www.esdm.go.id pada tanggal 19 Mei 2013

Martaningtyas, Dewi. 2005. Energi Hijau Berlimbah Uap Air. diakses dari

http://www.energi.lipi.go.id/utama.cgi?artikel&1111012997&6 pada tanggal 19 Mei

2013

Tempo. 2012. Mengapa Emisi Karbon Dunia Harus Ditekan?. Diakses dari

http://www.tempo.co/read/news/2012/11/26/061444129/Mengapa-Emisi-Karbon-

Dunia-Harus-Ditekan pada tanggal 19 Mei 2013

12